都四山地轨道交通主变电所设计思考.pdf

51交通科技与管理规划设计0引言都四山地轨道交通项目位于四川省阿坝藏族羌族自治州，横断山脉东缘，起于都江堰成灌高铁站，止于阿坝州小金县四姑娘山镇，由成都平原（平均海拔 650 m）向青藏高原（海拔 4 000 m 以上）东部边缘高山峡谷带行进。线路全长约 123 km，共设车站 11 座，全线桥隧比高达 98%，5 km 以上的长大隧道共 7 座，其中最长巴朗山隧道约 13.5 km，施家山隧道瓦斯浓度最大达 7.18%，沿线地质地貌特征复杂多变，施工难度极大。该线列车首次在国内采用了“轮轨+齿轨”双制式的牵引模式，齿条位于轨道中心线处、安装在轨枕之上，轨距 1 000 mm，轮轨段限制坡度 40，齿轨段 12%，最高行车速度 120 km/h，齿轨段 30 km/h。线路齿轨段包括两部分：翻越巴郎山上坡段（海拔2 772 m上升至3 696 m）、四姑娘山特大桥沿大纵坡沟谷走行段。主变电所作为整个供电系统的心脏，其安全运行至关重要。1供电系统设计概况该项目供电系统主要包括 110 kV 主变电所、35 kV中压环网、牵引变电所、降压变电所、牵引网（含回流系统）、动照系统、杂散电流腐蚀防护系统等部分，其中牵引供电系统采用直流 1 500 V 接触轨供电、走行轨回流方式。根据供电计算，该线共新建110 kV主变电所4座，牵引变电所 21 座，降压变电所 3 座，结合当地外部电源情况，新建的 4 座 110 kV 主变电所依次位于蒲阳、映秀、卧龙、四姑娘山。主变电所采用 110 kV/35 kV 两级电压，除卧龙由一路 110 kV 外电源供电外，其余 3 座主变电所均由两路110 kV 独立外电源同时供电；35 kV 侧采用单母线分段，在 35 kV 两段母线上均设置 SVG 和固定电抗器用于补偿该项目供电系统中压环网及负荷侧产生的无功；因蒲阳、卧龙 2 座主变电所外电源供电线路长且电缆敷设占比高，在对应所内 110 kV 侧设置 MCR 磁控电抗器用于补偿线路上的无功，稳定电网电压。与常规轨道交通主变电所相比，采用MCR+SVG新型无功补偿的配合方式，能更好地同时发挥 SVG 对负荷侧无功快速响应的特点，MCR 对系统侧大容量无功长期连续补偿调节的能力，起到 1+12 的效果。2主变电所的设计该项目主变电所设计过程中需要考虑山地高海拔低气压、强地震、极端低温、多雷电、地质灾害频发等多种不良环境因素的影响，以及自然保护区内生态保护的严格要求，在设计上提出相应的解决措施。2.1生态保护措施国家级第三大卧龙自然保护区内动植物种群丰富，但生态也较脆弱。因该线供电需要，卧龙主变电所不得已设置于其中，为保护当地生态，尽可能地减少对周边的影响，结合该线旅游观光发车实时性要求不高的特点，适当降低供电电源可靠性要求，采用从当地熊猫水电站取一路 110 kV 外电源的方案。外电源引入采用高压电缆敷设方式，不新建架空输电线路。卧龙主变电所选址位于熊猫水电站大坝下游冲积扇，避开了泄洪通道，同时尽可能地减少对保护区内的土地占用和植被砍伐。根据声环境功能区划分，该区域为 1类声环境功能区，对环境噪声的要求较高。主变电所的噪声源主要包括主变压器、磁控电抗器、固定电抗器、高压设备室的散热风机（如发热量较大的 SVG）等。针对布置于室外的主变压器和磁控电抗器，在设备底座基础安装减振器，并在室外设备区外侧加装隔音屏障。对收稿日期：2023-08-17作者简介：施敏（1987）,男,硕士,高级工程师,研究方向：电力系统及其自动化。都四山地轨道交通主变电所设计思考施敏 （中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610036）摘要都四线是国内首个实施的山地轨道交通项目，当地高海拔、低气压、强地震、极端低温、多雷电、地质灾害频繁等多种不良环境因素，以及卧龙自然保护区严格的生态保护要求，对主变电所的选址、主接线、总平面布置及设备选型等多方面提出了更高设计要求。文章对项目设计过程中的重难点进行总结，并对采用“轮轨+齿轨”新型山地轨道交通的应用前景进行了展望。关键词都四；山地轨道；主变电所；高海拔；强地震；环保中图分类号TM862文献标识码A文章编号2096-8949（2023）20-0051-032023 年第 4 卷第 20 期52交通科技与管理规划设计 于设置于室内的固定电抗器，在设备底座基础安装减振器；SVG 的散热方式由风冷改成水冷，取消风机的设置。2.2场坪选址该项目线路隧道外区段大多沿山地之间的河道设置高架桥行进，河道两侧山体多数有不同程度的大面积滑坡堆积体。为避开不良地质地段，保证该线供电设施的安全，主变电所选址大都位于河道边的狭长缓坡处，场坪标高满足当地的百年洪水位，所内总平面布置需要适应狭长地形的要求，重点考虑所内电气综合楼半地下电缆夹层和场坪四周排水通畅，防止雨水倒灌，将半地下电缆夹层底面标高抬高，并在户外电缆沟引出所外围墙处设置积水井，设置必要的强排措施，尽可能避免所内场坪积水。2.3抗震措施该项目位于龙门山地震构造带上，地震烈度高达 8度（0.2 g 加速度），地震活动频繁。强震容易造成所内电气设备损坏，如变压器、磁控电抗器的出线套管断裂、室外中式布置的断路器、隔开等设备部件断裂、设备倾斜或跌落等事故。根据 GB5026020131规定，可对重要电力设施按抗震设防烈度提高 1 度设防，即主变电所电气设备抗震设防烈度按 9 度（0.4 g 加速度）设计。此外，其他措施包括选用设备重心较低、抗震性能好的 GIS 开关柜、GIS组合电器；一次设备间采用软导线连接；变压器低压侧出线套管与硬铜排连接处采用软铜带过渡；针对变压器、磁控电抗器等大型设备在结构底座处定设隔振装置等。2.4防寒措施四姑娘山地区昼夜温差大，冬季可长达半年以上，积雪或覆冰严重，历史极端低温达 35 以下。低温会对各类电气设备及连接电缆的性能均有不同程度的影响。该项目除变压器、磁控电抗器、35 kV 电缆头支架、外电进线架构及避雷针等设备设施布置在户外，其他一二次设备均布置在主变电所电气综合楼内，房屋设置有保温隔热措施，因此主要针对户外设备设计防寒措施2。低温会使变压器、磁控电抗器等设备中的绝缘油运行黏度增大，影响绝缘、散热性能，需要将变压器油由常规的#25 调整为#45，降低其凝固点。低温也会影响电缆的弹性和弯曲性能，甚至出现护套、绝缘层开裂情况，可选择 ZR-YJY23、ZR-KYJYP2-23 等耐寒电缆。低温会使变压器在线监测箱体内的电子元器件无法正常工作，需提高箱体的密封性能，箱体内部元件采用耐寒产品，并且安装加热设施。另外，低温下的钢材强度会明显降低，户外架构、避雷针及电缆支架钢材可由 Q235B 调整为 Q235C，使用更低冲击温度的钢材。通过以上多种手段保证室外的一二次电气设备及电缆线材在低温环境下正常运行。2.5防雷措施根据当地年平均雷暴日，该线位于多雷山区，主变电所内各类电气设备易受雷电影响造成雷击跳闸、供电中断，威胁该线运营安全。在所内通过设置独立避雷针、避雷器、二次防强电设施形成了一个比较完善的防雷防过电压系统。根据避雷针保护范围计算，主变电所需要在围墙四角各设置 1 座高 35 m 常规避雷针。因部分主变电所选址位置靠近该线高架桥，避雷针倾倒会影响高架桥的安全，同时考虑该线沿途旅游观光的属性，以及建设后期主变电所景观提升的需求，采用保护范围更大的预放电避雷针，减少避雷针的设置数量及设置高度。预放电避雷针3与常规避雷针虽然都是利用接闪器将电荷导入大地，保证建筑物不受雷击，但不同的是普通避雷针属于被动防雷，预放电避雷针则是主动引雷，引导雷电流定向流入大地，释放雷电能量，从而达到保护对象免受雷击的目的。其防护性能可根据提前放电时间分类，主要有 10 s、25 s、45 s、60 s，提前放电时间越长，保护半径越大。所内建构筑物高度 15 m，按第二类防雷建筑物设计，对应的保护半径 rx计算公式如下4：（1）式中，h避雷针距离被保护物的高度（m）；r建筑物防雷等级对应的滚球半径（m）；先导抢先运行距离（m），=T106 T 为预放电避雷针的预放电时间（s）。当选用的避雷针塔高度 25 m，预放电时间选择 25 s，保护半径 rx不小于 51 m，在所内场坪中间位置设置 1 座高 25 m 预放电避雷针，就可满足防雷需求。2.6高海拔参数修正该项目有 1 座主变电所海拔约为 3 100 m，高海拔低气压环境会降低电气设备的外绝缘水平，影响电气设备的安全运行，可按海拔3 500 m对相关电气参数进行修正，作为设备选型及总平面布置的依据。根据 GB/T 311.120125规范中采用海拔修正计算方法，对高压设备外绝缘耐受电压进行修正，海拔修正系数 Ka计算公式如下：（2）式中，H 安装设备地点的海拔（m）；m 对雷电冲击耐受电压，对空气间隙和清洁绝缘子的短时工频电压，m 取 1。当 H 取 3 500 时，Ka=1.36，再 根 据 GB/T1102220206查表得到 35 kV 及 110 kV 电压等级下的工频耐受电压有效值和雷电冲击耐受电压峰值的基准值，具体修53交通科技与管理规划设计表 1高压设备外绝缘耐受电压修正值对比表系统标称电压/修正条件及结果工频耐受电压有效值/kV 雷电冲击耐受电压峰值/kV 修正系数 1.36基准值 1 000 m 修正值 3 500 m基准值 1 000 m 修正值 3 500 m35 kV相对地95130185252相间95130185252隔离断口118161215293110 kV相对地230313550748相间230313550748隔离断口303413653889表 2安全净距 A 修正值对比表适用范围海拔 1 000 m海拔 3 500 m（修正系数 1.25）系统标称电压/kV 户内/mm户外/mm 户内/mm 户外/mm 相对地 A1相间 A2相对地 A1相间 A2相对地 A1相间 A2相对地 A1相间 A235300300400400375375500500110 J8509009001 0001 062.51 1251 1251 250表 3爬电距离海拔修正值对比表爬电距离/mm 基准值修正值海拔 1 000 m 以下海拔 3 500 m 修正系数 1.22系统标称电压35 kV110 kV35 kV110 kV户内（c 级）计算值811.42 524.299903 080设计取值1 0003 1001 0003 100户外（d 级）计算值1 012.473 149.91 2353 843设计取值1 2503 9061 2503 9063结语都四线是采用“轮轨+齿轨”的新型山地轨道交通项目，该交通运输方式地形适应能力强、绿色低碳、安全可靠。该项目以客运为主，兼顾轻货运，可改变川西北生态示范区贫困状况，增添藏区出行方式，途经卧龙自然保护区、邓生原始森林、巴朗山巅云海，拥有丰富的自然生态景观和人文资源。列车厢体采用大面积的曲面玻璃，可以让乘客与窗外景观近距离交流，在全国山地旅游观光线路中具有广泛应用前景，对沿线地区乡村振兴具有重要意义，其中主变电所针对性的优化设计在其他山地轨道交通项目也具有借鉴意义。参考文献1 电力设施抗震设计:GB502602013S.北京：中国计划出版社,2013.2 唐滔,易建山,罗晓康,等.西藏 4 000 m 以上高海拔地区变电站设计实践 J.电力勘测设计,2021(5):2-6.3 潘巧,付光攀,吴达,等.主动防雷研究现状分析 J.科技与创新,2022(2):99-102.4 龚志勇.可控放电避雷针与传统避雷针保护性能的区别 J.水电与新能源,2010(3):9-12.5 绝缘配合第 1 部分定义、原则和规则:GB/T 311.12012S.北京：中国质检出版社,中国标准出版社,2012.6 高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求:GB/T110222020S.北京：中国电力出版社，2020.7 高压配电装置设计规范:DL/T 53522018S.北京：中国电力出版社,2018.8 高海拔外绝缘配置技术规范:Q/GDW 130012014S.北京：中国电力出版社,2014.9 输电线路用绝缘子污秽外绝缘的高海拔修正:DL/T 3682010S.北京：中国电力出版社,2010.正值见表 1。根据 DL/T 535220187附录 A 查表得海拔 3 500 m时 35 kV 及 110 kV 对应的户外 A1 修正值，同时计算得到海拔修正系数为 1.25，再根据海拔 1 000 m 时户外 A2及户内 A1、A2 的基准值，计算得到相应的修正值，具体净距 A 的修正值见表 2。考虑山地轨道交通特殊运行环境，该线主变电所户外设备爬距按 d 级设计，取值为 43.3 mm/kV；户内设备爬距按 c 级设计，取值 34.7 mm/kV，并根据海拔 3 500 m进行修正。爬电距离的海拔修正可参考的主要有电力行业标准 DL/T 3682010 和国家电网公司企业标准 Q/GDW1300120148，该次计算根据 DL/T 36820109附录 B 查表得到，爬电距离修正结果见表 3。